JP5390932B2 - Power circuit - Google Patents
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Description
本発明は、電源回路に係り、特に、反転増幅器を有する電源回路に関する。 The present invention relates to a power supply circuit, and more particularly to a power supply circuit having an inverting amplifier.
現在、種々の電気機器に電源回路が用いられている。電源回路において、反転増幅器等の帰還型増幅回路を用いて帰還を行っていると、位相がずれることで発振が生じ、正しい出力波形が得られなくなることがある。これを防止するために、電源回路において、位相のずれを一定の限度範囲内に抑える位相補償を行う必要がある。 Currently, power supply circuits are used in various electrical devices. In a power supply circuit, when feedback is performed using a feedback amplifier circuit such as an inverting amplifier, oscillation may occur due to a phase shift, and a correct output waveform may not be obtained. In order to prevent this, it is necessary to perform phase compensation in the power supply circuit to suppress the phase shift within a certain limit range.
例えば、特許文献1には、あらかじめ設定された基準電圧を基に所定の定電圧を生成して出力端子から出力するボルテージレギュレータとして、出力端子から出力された電圧の検出を行い、その検出した出力電圧に応じた電圧を生成して出力する検出回路部と、検出回路部から出力された電圧と基準電圧との電圧比較を行い、比較結果を示す電圧を出力する差動増幅器部を備える構成が開示されている。そして、検出回路部から出力された電圧の位相を進ませて帰還電圧として差動増幅器部に出力し、位相補償を行う位相補償回路部と、差動増幅器部から出力された電圧に応じた電流を出力するドライバトランジスタを有し、出力端子を介して所定の定電圧を出力する出力回路部と、出力回路部から出力された電流に応じて、位相補償回路部が位相補償を行う周波数の制御を行う位相補償制御回路部を備える構成が開示されている。
For example, in
ところで、反転増幅器等の帰還型増幅回路を用いてフィードバック電圧の帰還を行う電源回路において、位相補償用コンデンサを用いて位相補償を行うことができる。しかし、その電源回路が、基準電圧とフィードバック電圧とを比較する差動増幅器を有している場合には、この位相補償用コンデンサの容量値を調整すると入力電源電圧の変動分に対する差動増幅器の差動バランスのずれが顕著となり、特定の周波数の領域において、リップル除去率が悪化してしまう可能性がある。 Incidentally, in a power supply circuit that performs feedback of feedback voltage using a feedback amplifier circuit such as an inverting amplifier, phase compensation can be performed using a phase compensation capacitor. However, if the power supply circuit has a differential amplifier that compares the reference voltage and the feedback voltage, adjusting the capacitance value of the phase compensation capacitor will cause the differential amplifier to vary with respect to the fluctuation of the input power supply voltage. The difference in differential balance becomes significant, and the ripple removal rate may deteriorate in a specific frequency region.
本発明の目的は、位相補償を行うとともに、リップル除去率の改善を可能とする電源回路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a power supply circuit capable of performing phase compensation and improving the ripple rejection rate.
本発明に係る電源回路は、入力電源と出力端子との間に配置されるパワートランジスタと、出力端子の電圧である出力電圧を分圧したフィードバック電圧と、基準電圧との差を電流偏差で出力する差動増幅器と、電流偏差を電圧偏差として変換するI/V変換回路と、電圧偏差を増幅し、パワートランジスタのオン抵抗を制御する信号としてパワートランジスタの制御端子に供給する増幅器と、を備える電源回路であって、差動増幅器は、入力電源に接続され第1抵抗素子を介して予め定めたカレントミラー電流が流れる第1カレントミラートランジスタと、基準電圧が入力される第1制御トランジスタとが直列に接続される第1電流パスと、入力電源に接続され第2抵抗素子を介して予め定めたカレントミラー電流が流れる第2カレントミラートランジスタと、フィードバック電圧が入力される第2制御トランジスタとが直列に接続される第2電流パスと、第1電流パスに流れる電流と第2電流パスに流れる電流の和が予め定めた定電流となるようにする定電流源部と、を含み、増幅器に並列に接続される第1の容量素子と、第1抵抗素子と第1カレントミラートランジスタの間の接続点と、接地との間、あるいは、第2抵抗素子と第2カレントミラートランジスタの間の接続点と、接地との間に接続される第2の容量素子と、を備えることを特徴とする。 A power supply circuit according to the present invention outputs a difference between a power transistor arranged between an input power supply and an output terminal, a feedback voltage obtained by dividing an output voltage which is a voltage of the output terminal, and a reference voltage as a current deviation. A differential amplifier that converts the current deviation into a voltage deviation, and an amplifier that amplifies the voltage deviation and supplies the signal to the control terminal of the power transistor as a signal for controlling the on-resistance of the power transistor. The differential amplifier includes a first current mirror transistor that is connected to an input power source and through which a predetermined current mirror current flows via a first resistance element, and a first control transistor that receives a reference voltage. A first current path connected in series and a second current mirror through which a predetermined current mirror current flows through the second resistance element connected to the input power supply. A second current path in which a transistor and a second control transistor to which a feedback voltage is input are connected in series, a constant current in which a sum of a current flowing in the first current path and a current flowing in the second current path is predetermined A first current element connected in parallel to the amplifier, a connection point between the first resistance element and the first current mirror transistor, and ground, Alternatively, a connection point between the second resistor element and the second current mirror transistor and a second capacitor element connected between the ground and the second resistor element are provided.
上記構成により、差動増幅器の片側の端子にだけリップル除去率改善用容量素子を設けているため、リップル除去率改善用容量素子の容量値を調整することで入力電源電圧の変動分に対する差動バランスのずれを調整することができる。これにより、位相補償用容量素子を挿入したことによって顕著となった差動増幅器の差動バランスのずれがなくなるように補正することができる。したがって、位相補償を行うとともに、リップル除去率を改善することができる。 With the above configuration, since the capacitor for improving the ripple rejection ratio is provided only on one terminal of the differential amplifier, the differential value corresponding to the fluctuation of the input power supply voltage can be adjusted by adjusting the capacitance of the capacitor for improving the ripple rejection ratio. The balance deviation can be adjusted. As a result, it is possible to correct the deviation of the differential balance of the differential amplifier, which becomes noticeable due to the insertion of the phase compensation capacitive element. Therefore, the phase compensation can be performed and the ripple removal rate can be improved.
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下ではパワートランジスタはMOSトランジスタを用いて説明するが、バイポーラトランジスタを用いてもよい。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the power transistor is described using a MOS transistor, but a bipolar transistor may be used.
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。 Below, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In the description in the text, the symbols described before are used as necessary.
図1は、電源回路10を示す図である。電源回路10は、基準電源11と、差動増幅器20と、I/V変換回路30と、反転増幅器40と、パワートランジスタ60と、第1抵抗素子70と、第2抵抗素子80と、位相補償用容量素子50と、リップル除去率改善用容量素子12と、出力端子90とを含んで構成される。電源回路10の出力端子90には、外付けのコンデンサ100が接続されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a
差動増幅器20は、出力端子90の電圧である出力電圧を分圧したフィードバック電圧と、基準電源11によって出力される基準電圧との差を電流偏差で出力する機能を有する。差動増幅器20は、抵抗素子202,208,214と、定電流源部206,220と、トランジスタ204,210,212,216,218とを含んで構成される。
The
抵抗素子202は、一方端が入力電源2と接続され、他方端がトランジスタ204のエミッタ端子と接続される回路素子である。トランジスタ204は、エミッタ端子が抵抗素子202の他方端と接続され、ベース端子がトランジスタ210,216のベース端子とそれぞれ接続されるとともにトランジスタ204のコレクタ端子とも接続され、コレクタ端子が定電流源部206の一方端とトランジスタ204のベース端子に接続されるpnpバイポーラトランジスタである。定電流源部206は、一方端がトランジスタ204のコレクタ端子とトランジスタ204のベース端子に接続され、他方端がグランド1に接続されて接地され、予め定められた電流値の電流を流す定電流源である。
The
抵抗素子208は、一方端が入力電源2と接続され、他方端がトランジスタ210のエミッタ端子に接続される回路素子である。トランジスタ210は、エミッタ端子が抵抗素子208の他方端に接続され、ベース端子がトランジスタ204,216のベース端子とそれぞれ接続されるとともにトランジスタ204のコレクタ端子にも接続され、コレクタ端子がトランジスタ212のコレクタ端子とI/V変換回路30の第1側接続端子と接続されるpnpバイポーラトランジスタである。トランジスタ212は、コレクタ端子がトランジスタ210のコレクタ端子とI/V変換回路30の第1側接続端子と接続され、ベース端子が基準電源11と接続され、エミッタ端子が定電流源部220の一方端とトランジスタ218のエミッタ端子と接続されているnpnバイポーラトランジスタである。定電流源部220は、一方端がトランジスタ212,218のエミッタ端子と接続され、他方端がグランド1に接続されて接地される。また、定電流源部220は、トランジスタ212に流れる電流とトランジスタ218に流れる電流の和となる電流が予め定めた定電流となるように電流を流す定電流源である。
The
抵抗素子214は、一方端が入力電源2と接続され、他方端がトランジスタ216のエミッタ端子とリップル除去率改善用容量素子12の正極端子と接続される回路素子である。トランジスタ216は、エミッタ端子が抵抗素子214の他方端とリップル除去率改善用容量素子12の正極端子と接続され、ベース端子がトランジスタ204,210のベース端子とトランジスタ204のコレクタ端子と接続され、コレクタ端子がトランジスタ218のコレクタ端子とI/V変換回路30の第2側接続端子と接続されているpnpバイポーラトランジスタである。トランジスタ218は、コレクタ端子がトランジスタ216のコレクタ端子とI/V変換回路30の第2側接続端子と接続され、ベース端子が第1抵抗素子70と第2抵抗素子80との接続点と接続され、エミッタ端子がトランジスタ212のエミッタ端子と定電流源部220の一方端と接続されるnpnバイポーラトランジスタである。
The
基準電源11は、一方端がトランジスタ212のベース端子に接続され、他方端がグランド1に接続されて接地されている。基準電源11は、差動増幅器20で比較を行うための基準電圧値をトランジスタ212のベース端子に入力している。
The
I/V変換回路30は、基準電源11から入力される基準電圧よりも後述するフィードバック電圧が高いときの電流偏差をマイナス側の電圧偏差として変換し、基準電圧よりもフィードバック電圧が低いときの電流偏差をプラス側の電流偏差として変換する機能を有する。I/V変換回路30は、第1側接続端子がトランジスタ210のコレクタ端子とトランジスタ212のコレクタ端子との接続点に接続され、第2側接続端子がトランジスタ216のコレクタ端子とトランジスタ218のコレクタ端子との接続点に接続され、出力端子は、反転増幅器40の入力端子と位相補償用容量素子50の正極側端子と接続される。
The I /
反転増幅器40は、入力端子に入力される電圧を増幅し、その極性を反転して出力する回路である。反転増幅器40は、入力端子がI/V変換回路30の出力端子と位相補償用容量素子50の正極側端子と接続され、出力端子が位相補償用容量素子50の負極側端子とパワートランジスタ60のゲート端子(制御端子)とに接続される。
The inverting
位相補償用容量素子50は、電源回路10においてフィードバック電圧を帰還させるときにずれてしまう位相を補正するための容量素子である。位相補償用容量素子50は、反転増幅器40に並列に接続される。具体的には、位相補償用容量素子50は、正極側端子が反転増幅器40の入力端子とI/V変換回路30の出力端子とに接続され、負極側端子が反転増幅器40の出力端子とパワートランジスタ60のゲート端子とに接続されている。
The phase compensation
パワートランジスタ60は、反転増幅器40により出力された電圧に基づいて安定した出力電圧を出力端子90に対して出力するpチャネルMOSトランジスタである。パワートランジスタ60は、ソース端子が入力電源2と接続され、ゲート端子(制御端子)が位相補償用容量素子50の負極側端子と反転増幅器40の出力端子とに接続され、ドレイン端子が第1抵抗素子70の一方端と出力端子90に接続される。
The
第1抵抗素子70と第2抵抗素子80は、直列に接続され、出力端子90の電圧である出力電圧を分圧してフィードバック電圧とする機能を有する。第1抵抗素子70は、一方端がパワートランジスタ60のドレイン端子と出力端子90に接続され、他方端が第2抵抗素子80の一方端とトランジスタ218のベース端子に接続される。第2抵抗素子80は、一方端が第1抵抗素子70の他方端とトランジスタ218のベース端子に接続され、他方端がグランド1に接続されて接地される。これにより、第1抵抗素子70と第2抵抗素子80によって分圧されたフィードバック電圧がトランジスタ218のベース端子に入力される。なお、図1においては、第1抵抗素子70及び第2抵抗素子80は、電源回路10を構成する素子の一部として設けられているが、電源回路10の外付部品として設けられてもよい。
The
リップル除去率改善用容量素子12は、電源回路10のリップル除去率を改善するための容量素子である。リップル除去率改善用容量素子12は、一方端が抵抗素子214とトランジスタ216との接続点と接続され、他方端がグランド1に接続されて接地される。
The ripple removal rate improving
続いて、上記構成の電源回路10の動作について、図1を参照して説明する。電源回路10は、安定した出力電圧を出力端子90に出力するための回路である。具体的には、出力端子90の電圧である出力電圧を第1抵抗素子70と第2抵抗素子80とによって分圧されたフィードバック電圧をトランジスタ218のベース端子に入力する。一方、基準電源11によって出力された基準電圧をトランジスタ212のベース端子に入力する。
Next, the operation of the
ここで、差動増幅器20において、トランジスタ204とトランジスタ210とは上述したようにベース端子同士が接続され、トランジスタ204のベース端子とコレクタ端子とが接続されており、第1のカレントミラー回路を構成している。したがって、トランジスタ204に流れる電流値と同じ電流値の電流(換言すれば、カレントミラー電流)が第1のカレントミラー回路を構成するトランジスタ210に流れる。なお、直列に接続される抵抗素子208とトランジスタ210とトランジスタ212とで上記の電流が流れる第1電流パスを構成している。
Here, in the
また、差動増幅器20において、トランジスタ204とトランジスタ216とは上述したようにベース端子同士が接続され、トランジスタ204のベース端子とコレクタ端子とが接続されており、第2のカレントミラー回路を構成している。したがって、トランジスタ204に流れる電流値と同じ電流値の電流(換言すれば、カレントミラー電流)が第2のカレントミラー回路を構成するトランジスタ216に流れる。したがって、第1のカレントミラー回路を構成するトランジスタ210に流れる電流と、第2カレントミラー回路を構成するトランジスタ216に流れる電流とは同じ電流値の電流が流れる。なお、直列に接続される抵抗素子214とトランジスタ216とトランジスタ218とで上記の電流が流れる第2電流パスを構成している。
In the
そして、例えば、基準電圧よりもフィードバック電圧が大きい場合(換言すれば、出力電圧が所望の電圧よりも大きい場合)には、トランジスタ212に流れる電流値より、トランジスタ218に流れる電流値の方が大きくなるため、その電流値の差分、換言すれば電流偏差としての電流がトランジスタ210のコレクタ端子からI/V変換回路30の第1側接続端子に流れ、第2側接続端子からトランジスタ216のコレクタ端子に供給される。このとき、I/V変換回路30の出力は、その電流偏差に対応する電圧偏差がマイナス側の極性で出力される。次に、そのマイナス側の電圧偏差が反転増幅器40によって増幅され、その極性が反転したプラス側の電圧として出力され、この電圧がゲート端子に入力されるパワートランジスタ60に流れる電流は小さくなる。これにより、出力端子90の電圧が小さくなることで安定した所望の出力電圧となる。
For example, when the feedback voltage is larger than the reference voltage (in other words, when the output voltage is larger than the desired voltage), the current value flowing through the
続いて、例えば、基準電圧よりもフィードバック電圧が小さい場合(換言すれば、出力電圧が所望の電圧よりも小さい場合)には、トランジスタ218に流れる電流値より、トランジスタ212に流れる電流値の方が大きくなるため、その電流値の差分、換言すれば電流偏差としての電流がトランジスタ216のコレクタ端子からI/V変換回路30の第2側接続端子に流れ、第1側接続端子からトランジスタ210のコレクタ端子に供給される。このとき、I/V変換回路30の出力は、その電流偏差に対応する電圧偏差がプラス側の極性で出力される。次に、そのプラス側の電圧偏差が反転増幅器40によって増幅され、その極性が反転したマイナス側の電圧として出力され、この電圧がゲート端子に入力されるパワートランジスタ60に流れる電流は大きくなる。これにより、出力端子90の電圧が大きくなることで安定した所望の出力電圧となる。
Subsequently, for example, when the feedback voltage is smaller than the reference voltage (in other words, when the output voltage is smaller than the desired voltage), the current value flowing through the
ところで、上述したように電源回路10では、位相補償用容量素子50を反転増幅器40に並列に設けることで位相のずれを補償している。ここで、入力電源2側からI/V変換回路30の出力側を見たときのAC利得について述べる。抵抗素子208とトランジスタ210とI/V変換回路30の第1側接続端子のパスを通ったAC利得をA1とし、抵抗素子214とトランジスタ216とI/V変換回路30の第2側接続端子のパスを通ったAC利得をA2とする。そして、抵抗素子208,214の抵抗値のバラツキ等の原因でA1<A2の関係になっている場合には、位相補償用容量素子50を設けたことで、例えば周波数領域が100KHz周辺などの高周波数領域では、AC利得のバラツキが顕著となる。しかし、電源回路10によれば、AC利得が大きいA2のパスにおいて、つまり、抵抗素子214の他方端とトランジスタ216のエミッタ端子との接続点と、グランド1との間にリップル除去率改善用容量素子12を配置しているため、2つのAC利得のうちのA2が減衰される。これにより、A1とA2との差を小さくすることができるため(換言すれば差動バランスのずれを解消するため)、リップル除去率を改善することができる。なお、リップル除去率改善用容量素子12の容量値を調整することでA1とA2との差をほぼ0とすることも可能である。
By the way, in the
図2は、電源回路10において、各周波数に対応するリップル除去率の特性曲線を示す図である。リップル除去率改善用容量素子12の容量値を0pF,2.4pF,4.8pF,7.2pF,9.6pF,12pFと異なる値へと変化させると、図2に示されるように、リップル除去率改善用容量素子12の容量値を4.8pFと設定した場合に最もよいリップル除去率の特性を得ることができる。ここで、出力端子90の電圧である出力電圧に対するリップル除去率改善用容量素子12の正極側端子の電圧(換言すれば、抵抗素子214とトランジスタ216との接続点における電圧)がほとんど変化することがないため、リップル除去率改善用容量素子12を設けても位相特性にはほとんど影響することがない。したがって、電源回路10では、位相補償を行うとともに、リップル除去率の改善を行うことができる。なお、上記の容量値は、単なる例示に過ぎず、もちろん、その他の容量値で最適なリップル除去率を得ることも可能である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a characteristic curve of a ripple removal rate corresponding to each frequency in the
続いて、電源回路10の変形例について図3を用いて説明する。図3は、電源回路10の変形例である電源回路15を示す図である。電源回路15と電源回路10との相違は、リップル除去率改善用容量素子13のみであるため、その点について詳細に説明する。
Next, a modification of the
リップル除去率改善用容量素子13は、正極側端子が抵抗素子208の他方端とトランジスタ210のエミッタ端子との接続点に接続され、負極側端子がグランド1に接続されて接地される。したがって、電源回路15において、抵抗素子208,214の抵抗値のバラツキ等の原因でA1>A2の関係になっている場合には、AC利得が大きいA1のパスにおいて、つまり、抵抗素子208の他方端とトランジスタ210のエミッタ端子との接続点と、グランド1との間にリップル除去率改善用容量素子13を配置しているため、2つのAC利得のうちのA1が減衰される。これにより、A1とA2との差を小さくすることができるため(換言すれば差動バランスのずれを解消するため)、リップル除去率を改善することができる。なお、リップル除去率改善用容量素子13の容量値を調整することでA1とA2との差をほぼ0とすることも可能である。したがって電源回路15においても、位相補償を行うとともに、リップル除去率の改善を行うことができる。
The
1 グランド、2 入力電源、10 電源回路、11 基準電源、12,13 リップル除去率改善用容量素子、15 電源回路、20 差動増幅器、30 I/V変換回路、40 反転増幅器、50 位相補償用容量素子、60 パワートランジスタ、70 第1抵抗素子、80 第2抵抗素子、90 出力端子、100 コンデンサ、202,208,214 抵抗素子、204,210,212,216,218 トランジスタ、206,220 定電流源部。 1 ground, 2 input power supply, 10 power supply circuit, 11 reference power supply, 12, 13 capacitance element for improving ripple rejection ratio, 15 power supply circuit, 20 differential amplifier, 30 I / V conversion circuit, 40 inverting amplifier, 50 for phase compensation Capacitance element, 60 power transistor, 70 first resistance element, 80 second resistance element, 90 output terminal, 100 capacitor, 202, 208, 214 resistance element, 204, 210, 212, 216, 218 transistor, 206, 220 constant current Source.
Claims (2)
出力端子の電圧である出力電圧を分圧したフィードバック電圧と、基準電圧との差を電流偏差で出力する差動増幅器と、
電流偏差を電圧偏差として変換するI/V変換回路と、
電圧偏差を増幅し、パワートランジスタのオン抵抗を制御する信号としてパワートランジスタの制御端子に供給する増幅器と、
を備える電源回路であって、
差動増幅器は、
入力電源に接続され第1抵抗素子を介して予め定めたカレントミラー電流が流れる第1カレントミラートランジスタと、基準電圧が入力される第1制御トランジスタとが直列に接続される第1電流パスと、
入力電源に接続され第2抵抗素子を介して予め定めたカレントミラー電流が流れる第2カレントミラートランジスタと、フィードバック電圧が入力される第2制御トランジスタとが直列に接続される第2電流パスと、
第1電流パスに流れる電流と第2電流パスに流れる電流の和が予め定めた定電流となるようにする定電流源部と、
を含み、
増幅器に並列に接続される第1の容量素子と、
第1抵抗素子と第1カレントミラートランジスタの間の接続点と、接地との間、あるいは、第2抵抗素子と第2カレントミラートランジスタの間の接続点と、接地との間に接続される第2の容量素子と、
を備えることを特徴とする電源回路。 A power transistor disposed between the input power source and the output terminal;
A differential amplifier that outputs the difference between the feedback voltage obtained by dividing the output voltage, which is the voltage at the output terminal, and the reference voltage as a current deviation;
An I / V conversion circuit for converting a current deviation as a voltage deviation;
An amplifier that amplifies the voltage deviation and supplies it to the control terminal of the power transistor as a signal for controlling the on-resistance of the power transistor;
A power circuit comprising:
The differential amplifier
A first current path in which a first current mirror transistor, which is connected to an input power supply and through which a predetermined current mirror current flows through a first resistance element, and a first control transistor to which a reference voltage is input is connected in series;
A second current path in which a second current mirror transistor, which is connected to the input power source and through which a predetermined current mirror current flows through a second resistance element, and a second control transistor to which a feedback voltage is input is connected in series;
A constant current source unit that makes the sum of the current flowing through the first current path and the current flowing through the second current path become a predetermined constant current;
Including
A first capacitive element connected in parallel to the amplifier;
A first node connected between the connection point between the first resistance element and the first current mirror transistor and the ground, or between a connection point between the second resistance element and the second current mirror transistor and the ground. Two capacitive elements;
A power supply circuit comprising:
増幅器は、電圧偏差を反転して増幅し、
I/V変換回路は、基準電圧よりもフィードバック電圧が高いときの電流偏差をマイナス側の電圧偏差として変換し、基準電圧よりもフィードバック電圧が低いときの電流偏差をプラス側の電圧偏差として変換すること、
を特徴とする電源回路。 The power supply circuit according to claim 1,
The amplifier inverts and amplifies the voltage deviation,
The I / V conversion circuit converts a current deviation when the feedback voltage is higher than the reference voltage as a negative voltage deviation, and converts a current deviation when the feedback voltage is lower than the reference voltage as a positive voltage deviation. about,
A power circuit characterized by.
Priority Applications (5)
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